Virtual CPU (Eniac): parte 1

Transcript

1 Architettura dei Calcolatori Prof. Enrico Nardelli Università degli Studi di Roma Tor Vergata Virtual CPU (Eniac): parte 1 1

2 Overview Vantaggi e svantaggi della programmazione a basso livello; Conoscere la struttura (lo schema circuitale) della Virtual CPU (Eniac) che adotteremo per programmare; Acquisire i concetti di base della programmazione utilizzando la Virtual CPU (Eniac); Acquisire il set di istruzioni disponibile; Comprendere il funzionamento di piccoli programmi esistenti; Imparare a programmare a basso livello usando un emulatore della Virtual CPU (Eniac). 2

3 Vantaggi e svantaggi della programmazione di basso livello 3

4 Programmazione a basso livello Svantaggi Assenza quasi totale della gestione dei tipi di dato nei compilatori: è infatti il programmatore che si deve far carico del cor rretto utilizzo dei tipi; Portabilità ridotta rispetto ai linguaggi più moderni; Difficoltà nel comprendere programmi già scritti; Difficoltà anche nello scrivere programmi. Non è più utilizzato dalla maggior parte delle aziende che sviluppano software. 4

5 Programmazione a basso livello Vantaggi Si percepisce effettivam mente cosa fa un calcolatore quando esegue un pro ogramma Si ha la giusta percezio one di cosa può e cosa non può fare un calcolatore Si possono ottimizzare particolari routine di un applicativo, specialmente se scritto in C o in C++; Fornisce la possibilità di ricostruire il codice sorgente a monte di un eseguibile preesistente (Reverse Engineering). 5

6 Conoscere la struttura (lo schema circuitale) della CPU virtuale Eniac che adotteremo per programmare 6

7 Un po' di terminologia Assembly: (definizionee tratta dal sito di Wikipedia) è il linguaggio di programmazione più vicino al linguaggio macchina vero e proprio. Infatti, esiste una corrispondenza pressoché biunivoca tra gli mnemonici del linguaggio assembly ed i corrispondenti codici macchina corrispondenti ai bitfields (campi di bit) che compongono le istruzioni direttamente eseguibili dal dispositivo elettronico (in genere una CPU) che si sta programmando. 7

8 Un po' di terminologia Assembler: (definizione tratta dal sito di Wikipedia) è un programma compilatore che si occupa di tradurre in linguaggio macchina (ossia una serie di bit 0 e 1 che costituiscono l'unico modo per comunicare con dispositivi elettronici), una serie di comandi scritti in linguaggio Assembly. Oltre a questo compito base, un Assembler si occupa spesso di ausiliare il programmatore, ad esempio consentendo l'utilizzo nel codice sorgente del programma di nomi mnemonici al posto di indirizzi esadecimali che costituiscono l'esatta collocazione di una variabile o di una porzione di programma nella memoria centrale del computer. 8

9 Conoscere gli strumenti Durante queste lezioni prenderemo in considerazione una CPU virtuale progettata e realizzata, mediante la costruzione di un suo emulatore, dal Dott. Mauro Codella e Dott. Dario Dussoni nell ambito del lle loro tesi di laurea triennali col Prof. Enrico Nardelli; Attualmente il software è reperibile alla seguente URL : 9

10 Un po' di terminologia Emulatore: è un software che ricrea l'hardware di un sistema, solitamente differente da quello di cui si dispone, permettendo di far eseguire programmi di vario genere come se fossero eseguiti nell'hardware emulato. Simulatore: è un software che imita l'hardware di un sistema. La differenza tra i due concetti risiede nel fatto che mentre il primo ha come obiettivo primario il funzionamento del software, per il secondo tale obiettivo è secondario: l'attenzione è infatti principalmente rivolta alla rappresentazione degli aspetti architetturali e funzionali dell'hardware emulato. 10

11 Conoscere gli strumenti E.N.I.A.C., è l'acronimoo di Electronic Numerical Integrator And Computer, il primo computer elettronico della storia (1946). Nel 2006 si è celebrato il 60 anniversario, non solo di ENIAC ma della storia della intera programmazione; Poiché tale emulatoree è stato realizzato proprio nel 2006 gli è stato dato questo nome come tributo. 11

12 Conoscere gli strumenti Lo scopo dell emulatore è quello di rendere possibile sia l esecuzione di programmi, che di rendere comprensibilee tutto ciò che accade all interno di un calcolatore. Esso mette a disposizione un interfaccia grafica semplice e funzionale, che permetta di gestire agevolmente tutte quelle risorse coinvolte nell esecuzione di un programma,quali memoria, porte, registri, flags, ma non solo: la GUI di ENIAC è stata pensata mirandola, in modo particolare, a scopo didattico 12

13 Conoscere gli strumenti Dispone di un editor di testo sensibile alla sintassi dell assembly, per gestire tutte le celle di memoria, le porte, i registri, i flags. E inoltre contemplato un campo per visualizzare eventuali errori. 13

14 Il perché della scelta Perché utilizzare un emulatore e non un assembler? L'emulatore permette di analizzare le componenti salienti della CPU in modalità real-timeistruzioni sono infatti visibili immediatamente le modifiche durante l'esecuzione delle ai registri e ai flag; Possiamo eseguire il nostroo codice su un qualunque calcolatore in grado di eseguire l'emulatore; Non vi è la necessità di ricompilare il programma ad ogni minima modifica al codice; I vantaggi offerti dall assembler (velocità ed ottimizzazione del codice) non sono pertinenti allo scopo di queste lezioni. 14

15 Acquisire i concetti di base della programmazione assembly 15

16 I numeri in notazione decimale, binaria e esadecimale DEC BIN HEX A B C D E F 16

17 Rappresentazione in base 2 di un numero in base 10 Ricordiamo l algoritmo per convertire la rappresentazione di un numero in base 10 nella rappresentazione in base 2: 1. Indichiamo con x la variabile che rappresenta il numero da convertire 2. Dividiamo il valore in x per 2; 3. Memorizziamo il resto della divisione in una pila P; 4. Se il risultato della divisione è uguale a 0 allora saltiamo al passo 7, altrimenti procediamo con il passo successivo; 5. Salviamo il risultato della divisione in x; 6. Ritorniamo al passo 2; 7. FINE: nella pila troviamo il numero convertito in binario, con la cifra più significativa (MSB) sulla cima. 17

18 Rappresentazione in base 16 di un numero in base 10 Ricordiamo l algoritmo per convertire la rappresentazione di un numero in base 10 nella rappresentazionee in base 16: 1. Indichiamo con x la variabile che rappresenta il numero da convertire 2. Dividiamo il valore in x per 16; 3. Memorizziamo il resto della divisione in una pila P; 4. Se il risultato della divisione è uguale a 0 allora saltiamo al passo 7, altrimenti procediamo con il passo successivo; 5. Salviamo il risultato della divisione in x; 6. Ritorniamo al passo 2; 7. FINE: nella pila troviamo il numero convertito in esadecimale, con la cifra più significativa sulla cima. 18

19 Rappresentazione in base 16 di un numero in base 10 19

20 Conversioni dalla base 2 o 16 alla base 10 Da base 2 a base 10: Da base 16 a base 10: 20

21 La rappresentazione in base 16 è una rappresentazionee binaria compatta Questo è il motivo chiave che ha spinto ad adottare la rappresentazione in base 16: permette infatti di rappresentare in forma compatta e facilmente leggibile i numeri binari di grande dimensione; Convertire un numero binario in un'operazione banale. Infatti: uno esadecimale e viceversa è 21

22 Convenzioni Per indicare un numero in base 10, ad esempio x, si utilizzerà (x) 10, o più semplicemente x; Per indicare un numero in base 16, si utilizzerà la sintassi (x) 16, o più semplicemente xh; Per indicare un numero in base 2, si utilizzerà la sintassi (x) 2, o più semplicemente xb; Sia x un carattere: di seguito si intenderà con 'x' il codice numerico associato alla codifica di x. 22

23 Concludendo: perché tre basi diverse? Le ragioni che hanno spinto i programmatori a basso livello ad adottare tre basi diversee per indicare un numero sono le seguenti: La base 10 permette di rappresentare i numeri nella forma che meglio conosciamo: sin dagli albori dell'umanità l'uomo ha contato utilizzando le dieci dita; La base 2 permette di rappresentare i numeri nella forma canonica dei calcolatori in cui il segnale di base è l assenza o la presenza di una tensione o corrente (o un livello alto/basso); Spesso, le cifre binarie che si vogliono rappresentare sono molto lunghe: l'utilizzo della base 16 permette di rendere quattro volte più compatta la loro rappresentazione. 23

24 Ecco come l emulatore ci assiste in task di conversione di base Disponiamo di un Sottomenu Address Format. Permette di cambiare le modalità di visualizzazione dei dati 24

25 Come è fatto il nostro calcolatore 25

26 Un po' di terminologia 26

27 Formato delle istruzioni di Virtual CPU A 24 bit e con struttura fissa 8 bit dedicati al codice operativo (b 23 b 16 ). 3 bit per il tipo dell argomento (b 15 b 13 ). 13 per l argomento (b 12 b 0 0). 27

28 Visione d insieme MBR, MAR, PBR, PAR, sono registri che rappresentano i punti di contatto tra Virtual CPU e le risorse esterne. MBR, MAR : memorizzano il dato in transito da o verso la memoria (MBR) e contengono l indirizzo della cella in questione (MAR); PBR, PAR : memorizzano il dato in transito da o verso le porte (PBR) e contengono il numero di porta allaa quale ci si riferisce (PAR); Control Unit : decodifica l istruzione ed esegue l operazione associata ad essa. ALU (Arithmetic and Logic Unit) : permette di effettuare operazioni logiche e matematiche. Può effettuare 10 operazioni differenti Le componenti comunicanoo mediante connessioni dirette e NON mediante bus. 28

29 Visione d insieme AX, l accumulatore; BX, CX, DX, registri general purpose; PSW (Processor Status Word) : il registro dei flags; PC (il Program Counter) : contiene l indirizzo della cella contenente l istruzione successiva da eseguire (non utilizzabile direttamente dal programmatore ). IR ( il Registro delle Istruzioni) : contiene l istruzione appena prelevata dalla memoria (non utilizzabile direttamente dal programmatore). Ognuno di questi registri ha la dimensione del formato delle istruzioni (24 bit). 29

30 Struttura della Virtual CPU (vcpu) OpCode 30

31 Flags I flag, cioè i bit del registro PSW, sono essenziali per prendere decisioni in merito all esito delle istruzioni eseguite precedentemente, per poter cambiare il flusso del programma. Il valore dei flag dopo una computazione rappresentano una parte dello stato finale in cui è arrivata la ALU. I flag si distinguono in semplici e complessi. I flag semplici sono così chiamati in quanto il meccanismo che ne calcola il valore prescinde dal tipo di operazione effettuata. I flag complessi, invece, vengono calcolati con meccanismi che oltre al risultato si basano anche sull operazione effettuata. 31

32 Memoria Le celle di memoria hanno una dimensione pari a quella del formato di istruzioni adottato (24 bit). Le celle sono associate univocamente a dei valori numerici contigui, crescenti a partire da zero, chiamati indirizzi. 12 La memoria contiene 2 celle, poiché abbiamo adottato la codifica del complemento a 2 per rappresentare gli interi e nel formato delle istruzioni abbiamo assegnato 13 bit all argomento per contenere l indirizzo. 32

33 Tipologia di argomenti L argomento di una istruzione può essere di vari tipi: ad esempio: Indirizzo della cella di memoria contenente l operando necessario all istruzione; L operando, direttamente fruibile dall istruzione. Il codice del registro contenente l operando. Altro ancora Il tipo viene determinato dal valore dei bit b 15 b 13 Alcune istruzioni gestiscono argomenti di diversi tipi, mentre altre ancora usano sempre la stesso. Questa differenza divide le istruzioni in due classi: Istruzioni che usano argomenti di diverso tipo. Istruzioni che usano un argomento sempre dello stesso tipo. 33

34 Classi di istruzioni La differenza tra le due categorie viene formalizzata per mezzo della specifica di due classi di istruzioni: la classe α e la classe β. Le due classi si distinguono per mezzo dell MSB dell istruzione: il bit b 23. Nella classe β i bit b 15 b 13 sono sempre assegnati a zero in quanto inutilizzati. La tipologia dell argomento è insita nel codice operativo. 34

35 Nella prossima lezione Architettura interna della ALU 35